磁懸浮試車架模擬控制板的調試方法

1、<p>　　磁懸浮試車架模擬控制板的調試方法</p><p><b>　　內容提要</b></p><p>　　磁懸浮技術是一門涉及機械工程、力學、電磁技術、電子技術、控制工程和計算機技術的綜合技術，在許多領域得到廣泛應用。電磁軸承是磁懸浮技術的典型應用，具有無接觸、無摩擦、無磨損、可控制等優(yōu)點，將電磁軸承應用于固體發(fā)動機試驗系統(tǒng)，可以解決接觸式支承不可避免

2、的軸向力傳遞過程中的力損耗問題，從而可提高軸向推力測量的精度和試驗架的動態(tài)響應，為固體發(fā)動機試驗的參數(shù)測量提供新的技術途徑。電磁軸承的控制技術是磁懸浮技術應用于固體火箭發(fā)動機地面試驗的關鍵技術之一， 其控制器的設計、調試是整個項目的關鍵環(huán)節(jié) 。</p><p>　　本文主要介紹了磁懸浮試車架模擬控制板的調試技術。根據(jù)電路調試原理，將原理樣機模擬控制板電路劃分為七個單元電路，對電路逐個進行了理論分析，數(shù)字仿真；對單

3、元電路設計了測試方案，獲得了實測的電路數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行了處理，對理論模型進行了修正，得到了單元電路的精確模型；設計了開環(huán)調試方案，組建了開環(huán)調試系統(tǒng)；進行了開環(huán)調試，根據(jù)控制目標，更換了部分元器件，使模擬控制電路達到了性能指標要求。</p><p>　　2005年6月1日完成了實物試驗，達到了控制目標。說明了測試過程中得到的單元電路模型是正確的，開環(huán)調試方法是可行的，建立了一種磁懸浮試車架模擬控制板的離線調試方法

4、，為以后相關型號固體發(fā)動機地面熱試車系統(tǒng)提供了快速調試方法。</p><p><b>　　1概述</b></p><p>　　由于磁懸浮技術的無接觸、無摩擦、可控制的優(yōu)點，806所近年來密切關注此項技術的最新發(fā)展并將磁懸浮試車架應用于地面試驗中。磁懸浮試車架的工作原理是通過電磁軸承產生電磁力克服發(fā)動機的重力和外界干擾力。磁懸浮試車架控制系統(tǒng)的功能是測量發(fā)動機的軸線徑向

5、位移，并與軸線指定位置比較獲得位移偏差信號，調節(jié)供給電磁軸承的電流形成可控電磁力，使發(fā)動機起浮并穩(wěn)定到指定位置。由此看來，控制器的設計、調試方法是整個項目研制的關鍵環(huán)節(jié)。806所于2004年引進了磁懸浮試驗架原理樣機，并提出了形成設計能力的目標。很快仿制了模擬控制板，在第一次調試試驗中基本實現(xiàn)了發(fā)動機的起浮但出現(xiàn)了發(fā)動機的振動現(xiàn)象。針對此問題，要求獲得模擬控制板的性能數(shù)據(jù)，并完成模擬控制板的性能調試，實現(xiàn)發(fā)動機的穩(wěn)定懸浮，經過3個月的緊

6、張工作，基本獲得控制板各電路的性能參數(shù)，建立了電路的精確模型，摸索出一套開環(huán)調試方法。</p><p><b>　　2 電路板調試原理</b></p><p>　　模擬控制板電路的調試借鑒了一般電路板測試方法，借助EWB電路仿真軟件、MATLAB仿真軟件分析各單元電路，進行了元器件檢查，完成了開環(huán)靜、動態(tài)調試，最后進行了全系統(tǒng)調試。電路板調試步驟如圖1。</p&

7、gt;<p>　　3 PID模擬控制板的調試</p><p>　　3．1 單元電路分析</p><p>　　單元電路分解的目標是為了獲取系統(tǒng)模型及性能參數(shù)。調試過程將整個電路分為位移調理電路（調零和二階濾波電路）、電流調理電路、PID電路、限幅及正反向電路、脈寬調制電路（由TL494組成）、IGBT驅動電路（由EXB841電路組成）及電源（±12V，±1

8、5V、4路20 V）等部分，</p><p><b>　　如圖2所示。</b></p><p>　　在單元電路分析過程中，對各單元電路分析其原理，計算其相關參數(shù)，建立相應的數(shù)學模型，并分析了各個電路的功能。各個電路分析如下：</p><p><b>　　1）電源電路</b></p><p>　　模擬

9、控制板上的電源電路包括±12V，±15V，20 V輸出。其中+12V電源主要提供參考電壓，給位移調零電路提供獨立電壓，并在過流保護中應用，±15V電源給控制板上各電路芯片供電，20 V電源給IGBT驅動電路的EXB841芯片供電。電源電路原理基本相同，不同電源輸出時器件略有調整。</p><p><b>　　2） 位移調理電路</b></p>&l

10、t;p>　　傳感器信號調理電路包括調零電路和濾波電路。調零電路功能是將測量位移信號與指定位移信號比較獲得位移誤差信號，濾波電路功能是對位移傳感器信號進行濾波，提高測量信號質量。濾波器選定切比雪夫濾波器，其放大倍數(shù)為 -1，固有角頻率為3.1K。電路原理圖如圖3所示。</p><p>　　調零電路數(shù)學模型為： </p><p><b>　　濾波器數(shù)學模型為：</b>

11、;</p><p><b>　　3） 電流調理電路</b></p><p>　　電磁軸承由兩組線圈組成，采用調節(jié)電流來獲得可變電磁力，從而控制發(fā)動機位置，因此需要對兩路電流進行測量并要對信號濾波。分析電路</p><p>　　得到放大倍數(shù)為-333倍，濾波器截止角頻率為500。單元電路由信號放大和濾波電路組成，其電路原理圖如圖4所示。</

12、p><p><b>　　數(shù)學模型為 </b></p><p><b>　　4）PID電路</b></p><p>　　磁懸浮控制器采用了成熟的比例-積分-微分（PID）控制模式，采用比例環(huán)節(jié)提高系統(tǒng)剛度，微分環(huán)節(jié)增加系統(tǒng)阻尼，積分環(huán)節(jié)消除穩(wěn)態(tài)誤差，因此采用了PID電路，其輸入為位移偏差信號，并進行PID變換調節(jié)電流信號，達到通

13、過改變偏置電流大小調節(jié)發(fā)動機的位置達到穩(wěn)定懸浮和抗干擾的目的。 </p><p>　　常用PID的調節(jié)電路可有單運放PID電路，串并聯(lián)PID電路，全并聯(lián)PID電路。本設計為串并聯(lián)PID電路，便于調節(jié)參數(shù)。圖5將PID電路的各個環(huán)節(jié)進一步分解并建立其數(shù)學模型。</p><p>　　P 環(huán)節(jié)數(shù)學模型（設上電阻為R1，下電阻為10-R1）則有</p><p>　　獲得增益

14、系數(shù)為：P=；</p><p>　　I 環(huán)節(jié)數(shù)學模型（設上電阻為R）則有</p><p><b>　　獲得積分系數(shù)為：</b></p><p><b>　　;</b></p><p>　　D 環(huán)節(jié)數(shù)學模型（設上電阻為R）則有</p><p>　　其中R=0~25K，</

15、p><p><b>　　得到微分常數(shù)為：;</b></p><p>　　再經過求和電路，則總的數(shù)學模型為</p><p><b>　　5）限幅電路</b></p><p>　　由于在PID電路中存在微分環(huán)節(jié)，所以必須對PID電路的輸出信號進行限幅，限幅電路數(shù)學模型和原理圖分別如圖6、7所示。</p

16、><p><b>　　PWM電路</b></p><p>　　得到了調節(jié)電流大小，如果和偏置電流相加，則可直接應用。實際的電流源為開關電源，那么必須將模擬信號轉化為數(shù)字信號，采用了494脈寬調節(jié)電路。</p><p>　　494脈寬調節(jié)電路有兩路輸入，一路輸入將當前電流信號和控制電流信號求差后作為輸入，另一路為過流保護輸入。輸出為調制方波信號。原理

17、電路如圖8所示。</p><p>　　7）IGBT驅動電路</p><p>　　IGBT是一種開關電源，必須采用驅動電路，選用富士的EXB841芯片作為驅動電路。電路原理圖如圖9所示。</p><p>　　通過單元電路的分析，基本上得到了各單元電路的功能，建立了整個控制電路的數(shù)學模型，計算得到了各單元電路的性能指標。</p><p>　　3．

18、2 電路及元器件的正確性檢查</p><p>　　電路及元器件的正確性檢查主要是為了檢查電路板上的元器件是否和設計一致，電路連線是否正確，方法是通過萬用表對電路板逐點逐元件進行檢查，獲得元器件的標稱值和走線圖。對結果進行分析，和理論模型比較判別正誤。通過這部分工作主要發(fā)現(xiàn)電路板中電源部分和芯片濾波電容標稱值偏小，抗干擾能力較差。 </p><p>　　3．3 模擬電路板動、靜態(tài)調試準備

19、</p><p>　　在得到了全系統(tǒng)的數(shù)學模型、性能指標及電路的正確性檢查后必須對電路進行動、靜態(tài)調試，并建立相應的調試系統(tǒng)。本課題主要采用了虛擬電子工作平臺(ElectronicsWorkbench, 簡稱EWB)、HP3566、HP信號源及泰克2012示波器作為工具。</p><p>　　運用虛擬電子工作平臺對電路進行動靜態(tài)仿真分析，運用HP3566和HP信號源、泰克2012示波器組成

20、調試系統(tǒng)。通過仿真分析結果和實測結果進行對比，可以發(fā)現(xiàn)電路中存在的問題，并能做到機理清楚、問題復現(xiàn)。</p><p>　　3．4 單元電路動、靜態(tài)調試</p><p>　　電路板靜態(tài)性能調試，方法是各功能模塊分別加電測試，獲得了測試數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析得到放大倍數(shù)。給各個單元電路按傳感器靜態(tài)標定的方法輸入不同臺階的直流電壓信號用以考察各部分電路的穩(wěn)態(tài)響應。有些元器件線性不好、或者在不同臺階

21、值輸出偏離理論值較大，通過輸入直流電壓的方法可以檢查出來。例如在PID電路加電檢查中，其中管腳6在輸入電壓為0~3V時輸出不正常，正常值應為毫伏級信號，因此這片PID電路的芯片需要更換。其測量值見表1。</p><p>　　表1 PID電路靜態(tài)測量數(shù)據(jù)</p><p>　　電路板動態(tài)調試主要是為了獲得實際電路中的濾波電路、微分電路、積分電路中的性能指標，調試中給電路施加不同頻率、不同幅值

22、的正弦信號，得到電路幅頻特性曲線。通過該項測試得到了濾波電路的幅頻特性參數(shù)與設計值基本一致，微分電路微分常數(shù)、積分電路積分常數(shù)和設計值偏差較大，對其進行調整，更換了部分元器件，使其達到性能指標。從而基本上解決了核心問題。</p><p>　　3．5 全系統(tǒng)性能調試</p><p>　　在完成單元調試后，進行了全系統(tǒng)的開環(huán)調試，實際輸出結果與理論結果基本一致。接著進行了全系統(tǒng)閉環(huán)調試試驗，

23、選取了20個測量點進行測量。閉環(huán)調試試驗成功，試驗的位移曲線如圖10。</p><p><b>　　4 結論</b></p><p>　　電路板的調試通過電路分析與模塊分解、電路仿真、元器件及連線檢查、單元動靜態(tài)調試、全系統(tǒng)開環(huán)調試，2005年6月1日完成了實物試驗，達到了控制目標。說明了測試過程中得到的單元電路模型是正確的，開環(huán)調試方法是可行的，建立了一種磁懸浮試

24、車架模擬控制板的離線調試方法，為以后相關型號固體發(fā)動機地面熱試車系統(tǒng)提供了快速調試方法。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　本調試過程得到806所領導和測試室同事的大力支持，在此深表感謝！ </p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 趙　悅